I microrganismi che mangiano CO2 e sputano energia verde

Un team DTU ha sviluppato un bioreattore unico che utilizza microrganismi per convertire la CO2 in metano, che può essere utilizzato come biogas e biocarburanti nella transizione verde.

Hariklia Gavala indica un cilindro d’acciaio a forma di sigaro alto pochi metri che si trova dietro una finestra di vetro nel suo laboratorio presso la DTU Chemical Engineering. Il cilindro è un bioreattore che ospita milioni, se non miliardi, di fedeli “dipendenti”, che possono essere visti solo a occhio nudo quando sono messi insieme.

Questi microrganismi sono gli eroi invisibili che possono convertire CO₂ e syngas in metano, etanolo o acidi organici, che sono elementi costitutivi che possono essere utilizzati per produrre alternative più sostenibili a qualsiasi cosa, dai combustibili ai prodotti chimici, alla plastica e al cibo.

Hariklia Gavala di DTU Chemical Engineering ha molti anni di esperienza nella ricerca sulla fermentazione del gas. Credito immagine: Bax Lindhardt / DTU

“Il processo non è molto diverso dalla produzione della birra a livello microscopico, ma il potenziale è enorme transizione verde”, afferma Hariklia Gavala, professore associato presso DTU Chemical Engineering.

Vicino al pieno utilizzo

L’interno del bioreattore è rivestito con pezzi di plastica, che forniscono una grande quantità di superficie su cui i microbi possono crescere. Quando aggiungi syngas o CO₂ in forma gassosa, i microrganismi iniziano a eroderlo e lo convertono in metano attraverso la fermentazione.

Il syngas è costituito da CO₂, idrogeno e monossido di carbonio ed è prodotto dalla gassificazione di biomasse come legno, paglia o rifiuti solidi organici come acque reflue o rifiuti alimentari. Ma il syngas non può essere utilizzato direttamente come combustibile nel settore dei trasporti o nella rete del gas poiché il contenuto energetico è troppo basso. Quindi c’è un grande vantaggio nell’usare i microbi per convertirlo in metano.

Anche se i processi funzionano su scala di laboratorio, non vi è alcuna garanzia che funzioneranno su scala più ampia poiché i microrganismi sono molto sensibili ai cambiamenti nel loro ambiente. Tuttavia, Hariklia Gavala è riuscita a potenziare la tecnologia. Credito immagine: Bax Lindhardt / DTU

“Quando produciamo metano, quasi il 100% della CO₂ oppure il syngas viene convertito in metano e il tasso di produzione è dieci volte superiore a quello di un impianto di biogas convenzionale”, afferma Hariklia Gavala.

Utilizzando diversi tipi di microrganismi, è possibile controllare ciò che la CO₂ sarà convertito in, e anche se Hariklia Gavala vede un enorme potenziale nel metano, può anche essere usato per produrre etanolo o acidi organici.

Mentre i bioreattori convenzionali richiedono una pressione più elevata per garantire che le molecole di gas si spostino nel liquido in cui risiedono i microrganismi, il bioreattore di DTU Chemical Engineering è progettato per funzionare a pressione atmosferica regolare, rendendolo più economico e sicuro da utilizzare.

Potere dei microrganismi: elettricità, calore e carburanti per autobus

Il grande punto di forza del bioreattore è che può essere utilizzato in molti contesti diversi. Il metano prodotto dai microrganismi può essere convertito in elettricità e calore in una turbina a gas e quindi sostituire l’uso di gas naturale fossile. L’Agenzia danese per l’energia prevede che il biogas costituirà il 70% del consumo di gas danese nel 2030 rispetto a solo il 20% nel 2021.

Hariklia Gavala nel suo laboratorio. Sullo sfondo si può vedere il bioreattore a forma di cilindro, che è ingrandito di 35 rispetto all’ambientazione del laboratorio. Credito immagine: Bax Lindhardt / DTU

Il biogas in genere ha solo un contenuto di metano del 45-75%, mentre il resto è principalmente CO₂ ma poiché il metano trattiene l’energia, il biogas deve essere valorizzato depurando la CO₂ prima di utilizzarlo nella rete del gas. La maggior parte delle volte, il processo di aggiornamento rilascia semplicemente il CO₂ all’atmosfera.

Il bioreattore valorizza quasi tutto il carbonio e lo converte in metano puro e ciò rende ridondante anche il costoso processo di aggiornamento.

“Abbiamo prodotto metano di un grado che può essere utilizzato direttamente nella rete del gas”, afferma Hariklia Gavala.

Sia il metano che l’etanolo possono essere utilizzati nei biocarburanti. In Svezia – che è uno dei paesi dell’UE che investe maggiormente nei biocarburanti per il settore del trasporto pubblico – gran parte degli autobus funziona con carburanti prodotti da rifiuti alimentari, acque reflue e residui dell’industria cartaria e forestale.

Ma i bioreattori convenzionali estraggono solo una parte limitata dell’energia dalla biomassa e il bioreattore di DTU Chemical Engineering è molto più efficiente.

“Possiamo utilizzare meglio tutti i tipi di biomasse, comprese quelle che non possono essere facilmente convertite in metano negli impianti di biogas. Inoltre, le industrie che generano gas di scarico, come le centrali termiche ed elettriche, i cementifici e l’industria siderurgica, saranno in grado di implementare questa tecnologia e trasformare il gas in qualcosa di utile”, afferma Hariklia Gavala.

Produce 40 volte più microalghe

Hariklia Gavala e i suoi colleghi hanno già testato il bioreattore basato su microrganismi su una scala 35 volte più grande che in laboratorio e hanno dimostrato che il processo può funzionare su scala industriale, e questo ha incuriosito diverse aziende.

Hariklia Gavala ha avuto colloqui preliminari con aziende danesi e anche l’azienda greca Solmeyea ha visto un grande potenziale nel bioreattore: hanno già raggiunto un accordo con DTU per utilizzarlo commercialmente. Solmeyea produce microalghe, che sono alghe unicellulari che utilizzano la fotosintesi per consumare CO₂ e produrre una gamma di utili prodotti biologici, dagli alimenti a base vegetale ai biocarburanti.

Finora, hanno coltivato microalghe in un modo simile alle colture mettendo le alghe in acqua in grandi vasi di vetro dove la luce del sole le fa moltiplicare. Utilizzando il bioreattore di DTU Chemical Engineering, sono ora in grado di far crescere le microalghe in modo molto più efficiente: 40 volte più microalghe rispetto alla produzione convenzionale.

Un altro vantaggio è che il bioreattore basato sui microrganismi occupa molto meno spazio rispetto ai grandi recipienti di vetro.

“Questo bioreattore è un modo molto efficace per far mangiare CO2 alle microalghe. La produttività è molto migliore, occupano meno spazio e il processo non dipende dalla luce del sole”, afferma Diego Grumbach, ingegnere biotecnologico presso Solmeyea.

Per ora le alghe stanno producendo lipidi che possono essere utilizzati negli alimenti di origine vegetale come alternative a carne, pesce e uova, ma il piano a lungo termine prevede che le alghe producano anche biocarburanti e bioplastiche. Solmeyea ha già avviato un impianto dimostrativo dove utilizzerà il bioreattore.

“Il potenziale è ancora maggiore nei biocarburanti che negli alimenti. Molti biocarburanti sono prodotti da colture che competono con il settore alimentare, quindi dobbiamo trovare un modo migliore per produrre biocarburanti. Questo è ciò che offrono le microalghe”, afferma Diego Grumbach.

Fonte: DTU